恒流输出型感应式无线电能传输变换器及其参数选取方法

摘要

本发明涉及恒流输出型感应式无线电能传输变换器及其参数选取方法，适用于固定气隙和电流型负载的感应式无线电能传输场合。变换器包括高频逆变电路，原边补偿电容，松耦合变压器，副边补偿电容，整流滤波电路和负载，原边补偿电路的谐振频率与副边补偿电路的谐振频率相等，高频逆变电路工作在谐振频率处，变换器输出电流为恒流源，输出电流大小仅与输入电压和松耦合变压器的互感有关，且输入阻抗为纯阻性，减少了无功环流以及器件应力，提高效率。参数选取方法考虑了变换器恒流输出特性，在给定气隙距离、变压器尺寸以及负载的前提下，以变换器效率最大为目的迭代求解原副边绕组的互感、原副边绕组电感值、耦合系数。

主权项

恒流输出型感应式无线电能传输变换器，所述恒流输出型感应式无线电能传输变换器包括：高频逆变电路(1)，原边补偿电容(2)，松耦合变压器(3)，副边补偿电容(4)，整流滤波电路(5)，所述高频逆变电路(1)输入端接直流输入源(V_IN)，原边补偿电容(2)正极接高频逆变电路(1)一桥臂中点，原边补偿电容(2)负极与松耦合变压器(3)原边绕组一端连接，松耦合变压器(3)原边绕组另一端接高频逆变电路(1)另一桥臂中点，松耦合变压器(3)副边绕组一端接整流滤波电路(5)一桥臂中点，松耦合变压器(3)副边绕组另一端接副边补偿电容(4)正极，副边补偿电容(4)负极接整流滤波电路(5)另一桥臂中点，整流滤波电路(5)输出端接有负载(R_LOAD)，其特征在于：原边补偿电容(2)与松耦合变压器(3)原边绕组谐振，副边补偿电容(4)与松耦合变压器(3)副边绕组谐振，谐振频率均为f_r，高频逆变电路(1)工作在谐振频率f_r处，感应式无线电能传输变换器恒定输出负载电流I_O，在负载(R_LOAD)经整流滤波电路(5)折算到松耦合变压器(3)原边的等效电阻R与最优负载R_OPT相等时，所述感应式无线电能传输变换器的效率取得最大值η_MAX，$f_r=\frac{1}{2\pi }\sqrt{\frac{1}{L_P{C}_P}}=\frac{1}{2\pi }\sqrt{\frac{1}{L_S{C}_S}},$$I_O=\frac{8V_{IN}}{{\pi }^2}sin\frac{\pi D}{2}·\frac{1}{\omega M},$$R=\frac{8}{{\pi }^2}{R}_{LOAD},$$R_{OPT}=\omega M\sqrt{\frac{L_S}{L_P}}·\sqrt{\frac{Q_{WP}}{Q_{WS}}+\frac{1}{k^2{Q}_{WS}^2}},$${\eta }_{MAX}=\frac{1}{1+\frac{2}{k^2{Q}_{WP}{Q}_{WS}}(\sqrt{1+k^2{Q}_{WP}{Q}_{WS}}+1)},$其中，C_P为原边补偿电容(2)的电容值，L_P为松耦合变压器(3)原边绕组的电感值，C_S为副边补偿电容(4)的电容值，L_S为松耦合变压器(3)副边绕组的电感值，D为高频逆变电路(1)中驱动开关管导通的占空比，M为松耦合变压器(3)原副边绕组的互感，ω为系统角频率，R_WP、R_WS、k、Q_WP、Q_WS分别为松耦合变压器(3)的原边绕组电阻值、副边绕组电阻值、耦合系数、原边绕组品质因数、副边绕组品质因数，Q_WP＝ωL_P/R_WP，Q_WS＝ωL_S/RWS，若变压器的原副边线圈采用相同导线时，QWP＝QWS且k²QWS²>>1，此时最优负载$R_{OPT}\approx \omega M\sqrt{L_S/L_P}.$